CN114455925A - 一种装配式桥梁钢筋套筒连接用高性能灌浆料及其使用方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种装配式桥梁钢筋套筒连接用高性能灌浆料及其使用方法和应用。所述装配式桥梁钢筋套筒连接用高性能灌浆料按质量百分含量计包括以下组分：水泥30‑50％，掺合料6‑20％，砂子40‑55％，消泡剂0.05‑0.5％，减水剂0.2‑1.0％，膨胀剂0.005‑0.05％，早强剂0.1‑1.0％，防冻剂0.2‑2.0％。所述装配式桥梁钢筋套筒连接用高性能灌浆料与水混合后即可使用，可用于装配式桥梁的连接。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种装配式桥梁钢筋套筒连接用高性能灌浆料及其使用方法和应用。
背景技术
钢筋套筒连接用灌浆料是住宅产业化中用到的关键建筑材料，具有大流动度以及高强度等特点。装配式桥梁是近年来建筑工程领域里新兴的构件，不同于装配式墙板等房建结构，桥梁构件自身强度更高，且装配式桥梁所用钢筋尺寸较大，故而要求钢筋套筒连接的握裹强度更高。已有研究表明钢筋套筒连接试件的握裹强度与连接二者的灌浆料抗压强度呈正相关性，灌浆料抗压强度越高，握裹强度越高。众所周知，桥梁施工多在野外进行，遇到的低温天气更多，同时保温措施难以满足。此外，桥梁在服役期间冬天还会有洒盐除冰过程，所用灌浆料还需考虑抵抗氯离子锈蚀钢筋的问题。因此，针对钢筋套筒连接用灌浆料在低温环境下的性能研究是需要关注的重点。
CN113185242A公开了一种超高强灌浆料，采用特种水泥如硫铝酸盐水泥、高铝水泥或磷酸镁水泥，复合高活性矿物掺合料、膨胀剂、外加剂和矿渣微粉等使用，提高了灌浆料的钢筋握裹性能和力学性能，但并没有对灌浆料的低温施工性能进行研究。
CN108546063A公开了一种钢筋连接专用干粉套筒灌浆料，包括以下组分：52.5级硅酸盐水泥、42.5级硫铝酸盐水泥、钢渣粉、脱硫石膏、硅灰、人工砂、膨胀剂、减水剂和消泡剂。所述套筒灌浆材料具有流动性大、早期和后期强度高、无收缩、无泌水、良好的耐久性、稳定性好和成本低等优点。但对于该套筒灌浆材料的低温施工性能同样没有进行研究。
基于以上研究，可以看到针对装配式建筑用的套筒灌浆料开发有很多，大多采用硫铝酸盐水泥，可以提高灌浆料的早期强度，同时满足2℃环境温度的施工，但硫铝酸盐的收缩率大，后期强度上升幅度较小，不利于提高灌浆料硬化体的密实度。因此，提高低温环境下灌浆料的初始流动性以及减小0.5h之内流动度波动是装配式建筑用的套筒灌浆料工作性控制的重点。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种装配式桥梁钢筋套筒连接用高性能灌浆料及其使用方法和应用。所述装配式桥梁钢筋套筒连接用高性能灌浆料只需加入8-12wt％的用水量，控制水胶比在0.15-0.20之间，可以获得在8℃时流动度大于300mm，施工时间保持在0.5h的灌浆料浆体，硬化后的灌浆料具有微膨胀效果和阻锈的效果。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种装配式桥梁钢筋套筒连接用高性能灌浆料，所述装配式桥梁钢筋套筒连接用高性能灌浆料按质量百分含量计包括以下组分：水泥30-50％，掺合料6-20％，砂子40-55％，消泡剂0.05-0.5％，减水剂0.2-1.0％，膨胀剂0.005-0.05％，早强剂0.1-1.0％，防冻剂0.2-2.0％。
所述30-50％，可以是30％、32％、34％、36％、38％、40％、42％、44％、46％、48％或50％等。
所述6-20％，可以是6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％或20％等。
所述40-55％，可以是40％、41％、42％、43％、44％、45％、46％、47％、48％、49％、50％、51％、52％、53％、54％或55％等。
所述0.05-0.5％，可以是0.05％、0.1％、0.15％、0.2％、0.25％、0.3％、0.35％、0.4％、0.45％或0.5％等。
所述0.2-1.0％，可以是0.2％、0.3％、0.4％、0.5％、0.6％、0.7％、0.8％、0.9％或1％等。
所述0.005-0.05％，可以是0.005％、0.01％、0.015％、0.02％、0.025％、0.03％、0.035％、0.04％、0.045％或0.05％等。
所述0.1-1.0％，可以是0.1％、0.2％、0.3％、0.4％、0.5％、0.6％、0.7％、0.8％、0.9％或1.0％等。
所述0.2-2.0％，可以是0.2％、0.4％、0.6％、0.8％、1.0％、1.2％、1.4％、1.6％、1.8％或2.0％等。
上述数值范围内的其他点值均可选择，在此便不再一一赘述。
所述掺合料，能够加强胶凝系统的水化作用，提高灌浆料的强度、致密度和抗渗性，改善灌浆料的离析和泌水性能。
所述砂子，能够与水泥相结合，增强水泥的水化作用，提高水泥的扩散面积。
所述消泡剂，能够用于消除装配式桥梁钢筋套筒连接用高性能灌浆料搅拌过后产生的气泡，控制灌浆料硬化体孔结构。
所述减水剂，能够对水泥起到分散作用，改善水泥的流动性。
所述膨胀剂，能够控制灌浆料的体积稳定性，防止或减少灌浆料产生裂缝。
所述早强剂，能够提高灌浆料的早期强度。
所述防冻剂，能够提高灌浆料的防冻性能。
本发明以水泥为主要成分，搭配特定质量的掺合料、砂子、消泡剂、减水剂、膨胀剂、早强剂和防冻剂，各个组分之间共同配合，使得最终得到的装配式桥梁钢筋套筒连接用高性能灌浆料在低温环境(-5～10℃)下的初始流动性好，0.5h之内流动度的波动性低。同时得到的装配式桥梁钢筋套筒连接用高性能灌浆料具有优异的抗压强度和阻锈性能。
本发明中，所述水泥包括52.5级硅酸盐水泥和铝酸盐水泥CA-50。
本发明选择52.5级硅酸盐水泥和铝酸盐水泥CA-50作为水泥，原因在于硅酸盐水泥中各组分水化速率不一样，水化稳定，强度高、凝结时间可控，铝酸盐水泥水化速度快、早强强度高，且具有耐腐蚀的性能，水化反应容易受温度影响。
所述52.5级硅酸盐水泥和铝酸盐水泥CA-50的质量比为(80-95):(5-20)。
本发明中，所述52.5级硅酸盐水泥和铝酸盐水泥CA-50的质量比为(80-95):(5-20)，原因在于硅酸盐水化性能稳定，以高占比可以保持灌浆料的强度发展速度可控，少量铝酸盐可以促进早期水化反应以及提高耐腐性能。
所述(80-95)，可以是80、81、82、83、84、85、86、87、88、89、90、91、92、93、94或95等。
所述(5-20)，可以是5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20等。
上述数值范围内的其他点值均可选择，在此便不再一一赘述。
本发明中所述掺合料包括矿粉、硅灰或微珠中的任意一种或至少两种的组合，所述至少两种的组合可以是矿粉与硅灰的组合或硅灰与微珠的组合，其余任意组合的方式均可选择，在此便不再一一赘述，优选为矿粉、硅灰和微珠的组合。
本发明优选矿粉、硅灰和微珠的组合，原因在于三种矿物掺合料可以起到级配填充作用，提高灌浆料的密实度，此外，三种矿物掺合料对水泥水化的促进作用和对水泥二次水化的影响不一样，可以在不同龄期促进强度发展。
优选地，所述矿粉、硅灰和微珠的质量比为(20-60):(20-60):(20-60)。
本发明中所述矿粉、硅灰和微珠的质量比为(20-60):(20-60):(20-60)，原因在于矿粉在早龄期时就起到了细化浆体孔结构、提高密实度的作用，微珠具有活性高、水化热低、抗压强度高、流动性好和热稳定性好等优点，能改善砂浆的性能，硅灰可以促进水泥水化同时增加灌浆料抗离析泌水能力，且会降低硬化灌浆料水化物中Ca/Si，提高水泥石抗侵蚀离子侵入，抑制碱-骨料反应的能力。
所述(20-60)，可以是20、25、30、35、40、45、50、55或60等。
本发明中，所述砂子包括20-120目级配的石英砂。
所述20-120目，可以是20目、30目、40目、50目、60目、70目、80目、90目、100目、110目或120目等。
上述数值范围内的其他点值均可选择，在此便不再一一赘述。
本发明中，所述消泡剂包括有机硅消泡剂和/或聚醚类消泡剂。
本发明中，所述减水剂包括聚羧酸系梳型聚合物。
优选地，所述聚羧酸系梳型聚合物的结构式如下式Ⅰ所示：
其中，R选自CH2CH2或CH2CH2CH2CH2，M选自H、Na、CH2CH2OH或CH2CH2CH2OH中的任意一种，a为20-100的整数，b为5-20的整数，n为20-130的整数。
所述20-100，可以是20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95或100等。
所述5-20，可以是5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20等。
所述20-130，可以是20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120或130等。
上述数值范围内的其他点值均可选择，在此便不再一一赘述。
本发明中，所述减水剂采用聚羧酸系梳型聚合物，原因在于该聚合物的酸醚比高，分散速度快，尤其是在低温环境下的分散效率高，可以满足灌浆料对初始状态的控制。
本发明中，所述膨胀剂包括塑性膨胀剂。
本发明采用塑性膨胀剂，可以在胶凝材料的水化反应过程控制灌浆料的体积稳定性。
本发明中，所述早强剂包括水化硅酸钙。
本发明中，所述防冻剂包括亚硝酸钙和/或复合亚硝酸钠。
本发明以52.5级硅酸盐水泥复合铝酸盐水泥CA-50为主要成分，复合微珠、硅灰和矿粉进行胶凝材料改性，复合胶凝材料可以起到级配填充以及持续水化的作用，以获得高强度和低孔隙率的灌浆料，使用石英砂作为骨架材料，选用以乙二醇单乙烯基聚氧乙烯醚为大单体的聚羧酸系梳型聚合物进行分散，该聚合物的酸醚比高，分散速度快，尤其是在低温环境下的分散效率高，可以满足灌浆料对初始状态的控制，加入消泡剂控制灌浆料硬化体孔结构，以塑性膨胀剂结合胶凝材料的水化反应过程控制灌浆料的体积稳定性，利用微膨胀抵消胶凝材料水化带来的体积收缩，防冻剂亚硝酸盐的加入可以降低浆体中自由水的冰点，加入纳微尺寸的水化硅酸钙在低温下促进硅酸盐水泥水化反应的进行，铝酸盐和亚硝酸钙反应的产物在氯离子入侵后可以二次反应，生成Cl-AFm或Cl-Aft，起到固化氯离子的作用，可以有效阻止氯离子锈蚀钢筋，有防腐作用，最终获得流动度高、低温环境下早期强度高，同时具有阻锈功能的装配式桥梁钢筋套筒连接用高性能灌浆料。
第二方面，本发明提供一种根据第一方面所述的装配式桥梁钢筋套筒连接用高性能灌浆料的使用方法，所述使用方法包括如下步骤：
将第一方面所述的装配式桥梁钢筋套筒连接用高性能灌浆料与水混合，使用。
优选地，所述装配式桥梁钢筋套筒连接用高性能灌浆料与水混合之前需要预先经过搅拌。
优选地，所述搅拌的时间为25-35s，所述搅拌的转速为135-145rpm。
所述25-35s，可以是25s、26s、27s、28s、29s、30s、31s、32s、33s、34s或35s等。
所述135-145rpm，可以是135rpm、136rpm、137rpm、138rpm、139rpm、140rpm、141rpm、142rpm、143rpm、144rpm或145rpm等。
优选地，所述混合的方式为搅拌。
优选地，所述搅拌的时间为4-7min，所述搅拌的转速为275-295rpm。
所述4-7min，可以是4min、4.5min、5min、5.5min、6min、6.5min或7min等。
所述275-295rpm，可以是275rpm、277rpm、279rpm、280rpm、282rpm、284rpm、286rpm、288rpm、290rpm、292rpm、294rpm或295rpm等。
上述数值范围内的其他点值均可选择，在此便不再一一赘述。
第三方面，本发明提供了一种根据第一方面所述的装配式桥梁钢筋套筒连接用高性能灌浆料在装配式桥梁连接中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明以水泥为主要成分，搭配特定质量的掺合料、砂子、消泡剂、减水剂、膨胀剂、早强剂和防冻剂，各个组分之间共同配合，使得最终得到的装配式桥梁钢筋套筒连接用高性能灌浆料在低温环境(-5～10℃)下的初始流动性好，0.5h之内流动度的波动性低。同时得到的装配式桥梁钢筋套筒连接用高性能灌浆料具有优异的抗压强度和阻锈性能。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
下述实施例、对比例和测试例中相应材料和原料的购买来源如下：
其中，52.5级硅酸盐水泥购自江南-小野田水泥有限公司；铝酸盐水泥CA-50购自郑州登峰熔料有限公司；硅灰购自福建威林，型号为I级硅灰；矿粉购自上海环宇建筑工程材料有限公司，型号为S95；微珠购自深圳同成新材料有限公司，型号为I级微珠；砂子购自上海宜驰有限公司，型号为粒径10-20目、20-40目、40-80目的石英砂；实施例1-5中的聚羧酸系梳型聚合物购自上海三瑞高分子材料股份有限公司，型号为SD-600P1-5；有机硅消泡剂购自上海三瑞高分子材料股份有限公司，型号为DFP02；聚醚消泡剂购自上海三瑞高分子材料股份有限公司，型号为DFP03；塑性膨胀剂购自上海三瑞高分子股份有限公司，型号为EEA。其余材料和原料，无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例1
称取350kg 52.5级硅酸盐水泥、85kg铝酸盐水泥CA-50、80kg微珠、60kg硅灰、20kg矿粉、423kg砂子、6kg聚羧酸系梳型聚合物(分子式如式Ⅰ所示，其中a为75，b为10，n为80，R为CH2CH2，M为H)、0.5kg有机硅消泡剂、0.5kg聚醚消泡剂、0.08kg塑性膨胀剂、8kg水化硅酸钙粉体、6kg亚硝酸钙、10kg亚硝酸钠，搅拌10min，搅拌均匀后获得装配式桥梁钢筋套筒连接用高性能灌浆料BG-1。称取10kg BG-1，低速搅拌30s，再加入1.03kg水继续搅拌5min，得到灌浆料浆体。
实施例2
称取450kg 52.5级硅酸盐水泥、30kg铝酸盐水泥CA-50、40kg微珠、20kg硅灰、40kg矿粉、423kg砂子、5kg聚羧酸系梳型聚合物(分子式如式Ⅰ所示，其中a为65，b为10，n为90，R为CH2CH2，M为Na)、0.5kg有机硅消泡剂、1kg聚醚消泡剂、0.12kg塑性膨胀剂、4kg水化硅酸钙粉体、5kg亚硝酸钙、10kg亚硝酸钠，搅拌10min，搅拌均匀后获得装配式桥梁钢筋套筒连接用高性能灌浆料BG-2。称取10kg BG-2，低速搅拌30s，再加入0.94kg水继续搅拌5min，得到灌浆料浆体。
实施例3
称取410kg 52.5级硅酸盐水泥、60kg铝酸盐水泥CA-50、60kg微珠、20kg硅灰、60kg矿粉、423kg砂子、4kg聚羧酸系梳型聚合物(分子式如式Ⅰ所示，其中a为50，b为5，n为70，R为CH2CH2CH2CH2，M为CH2CHCH2OH)、1kg有机硅消泡剂、0.5kg聚醚消泡剂、0.1kg塑性膨胀剂、5kg水化硅酸钙粉体、4kg亚硝酸钙、8kg亚硝酸钠，搅拌10min，搅拌均匀后获得装配式桥梁钢筋套筒连接用高性能灌浆料BG-3。称取10kg BG-3，低速搅拌25s，再加入1.1kg水继续搅拌4min，得到灌浆料浆体。
实施例4
称取370kg 52.5级硅酸盐水泥、60kg铝酸盐水泥CA-50、80kg微珠、40kg硅灰、60kg矿粉、423kg砂子、9kg聚羧酸系梳型聚合物(分子式如式Ⅰ所示，其中a为50，b为15，n为95，R为CH2CH2，M为CH2CH2OH)、1kg聚醚消泡剂、0.08kg塑性膨胀剂、6kg水化硅酸钙粉体、7kg亚硝酸钙、9kg亚硝酸钠，搅拌10min，搅拌均匀后获得装配式桥梁钢筋套筒连接用高性能灌浆料BG-4。称取10kg BG-4，低速搅拌35s，再加入0.98kg水继续搅拌6min，得到灌浆料浆体。
实施例5
称取450kg 52.5级硅酸盐水泥、50kg铝酸盐水泥CA-50、20kg微珠、40kg硅灰、40kg矿粉、423kg砂子、8kg聚羧酸系梳型聚合物(分子式如式Ⅰ所示，其中a为50，b为5，n为70，R为CH2CH2CH2CH2，M为CH2CHCH2OH)、1.8kg有机硅消泡剂、0.16kg塑性膨胀剂、2kg水化硅酸钙粉体、4kg亚硝酸钙、2kg亚硝酸钠，搅拌10min，搅拌均匀后获得装配式桥梁钢筋套筒连接用高性能灌浆料BG-5。称取10kg BG-5，低速搅拌30s，再加入1.05kg水继续搅拌5min，得到灌浆料浆体。
实施例6
本实施例提供一种灌浆料浆体，其制备方法与实施例1的区别仅在于，不称取硅灰和矿粉，将其减少的质量由微珠补足，其余的参数与实施例1保持一致。
实施例7
本实施例提供一种灌浆料浆体，其制备方法与实施例1的区别仅在于，不称取微珠，将其减少的质量由硅灰和矿粉补足，所述硅灰和矿粉的质量比保持不变，其余的参数与实施例1保持一致。
实施例8
本实施例提供一种灌浆料浆体，其制备方法与实施例1的区别仅在于，不称取铝酸盐水泥CA-50，将其减少的质量由52.5级硅酸盐水泥补足，其余的参数与实施例1保持一致。
对比例1
称取10kg市售的装配住宅套筒灌浆料CM-1，低速搅拌30s，再加入1.03kg水继续搅拌5min，得到装配式住宅套筒灌浆料浆体。
对比例2
本对比例提供一种灌浆料浆体，其制备方法与实施例1的区别在于，不称取水化硅酸钙粉体、亚硝酸钙和亚硝酸钠，将其减少的质量由52.5级硅酸盐水泥补足，其余的参数与实施例1保持一致。
测试例1
本测试例对实施例1-8和对比例1-2获得的灌浆料浆体进行-5℃和8℃的流动度测试以及负温养护的抗压强度测试。测试方法依照JG/T 408-2019进行。
测试结果统计如下表1所示(其中，-1d代表在-5℃养护1d，-3d代表在-5℃养护3d，-7d+21d代表在负温养护7d转标养21d)：
表1
由上表实施例1-5的数据可知：本发明提供的灌浆料具有良好的初始流动度以及流动度保持能力，其中-5℃环境下的初始流动度相较于8℃时偏低，但均在指标控制范围之内，且灌浆料的各龄期强度均能满足JG/T 408-2019《钢筋连接用套筒灌浆料》标准的要求。与实施例6-7的性能测试数据对比可知：掺合料的组分会对灌浆料的性能结果造成影响。与实施例8的性能测试数据可知：水泥的组分会对灌浆料的性能结果造成影响。与对比例1的测试数据对比可知：本发明提供的灌浆料相较于市售装配式住宅套筒灌浆料具有更突出的初始流动度和抗压能力。与对比例2的测试数据对比可知：当灌浆料中缺少早强剂和防冻剂时，灌浆料在-5℃环境下的初始流动度和抗压强度会受到影响。
综上所述，本发明以水泥为主要成分，搭配特定质量的掺合料、砂子、消泡剂、减水剂、膨胀剂、早强剂和防冻剂，各个组分之间共同配合，使得最终得到的装配式桥梁钢筋套筒连接用高性能灌浆料在低温环境(-5～10℃)下的初始流动性好，0.5h之内流动度的波动性低。同时得到的装配式桥梁钢筋套筒连接用高性能灌浆料具有优异的抗压强度和阻锈性能。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种装配式桥梁钢筋套筒连接用高性能灌浆料，其特征在于，所述装配式桥梁钢筋套筒连接用高性能灌浆料按质量百分含量计包括以下组分：
2.根据权利要求1所述的装配式桥梁钢筋套筒连接用高性能灌浆料，其特征在于，所述水泥包括52.5级硅酸盐水泥和铝酸盐水泥CA-50；
优选地，所述52.5级硅酸盐水泥和铝酸盐水泥CA-50的质量比为(80-95):(5-20)。
3.根据权利要求1或2所述的装配式桥梁钢筋套筒连接用高性能灌浆料，其特征在于，所述掺合料包括矿粉、硅灰或微珠中的任意一种或至少两种的组合，优选为矿粉、硅灰和微珠的组合；
优选地，所述矿粉、硅灰和微珠的质量比为(20-60):(20-60):(20-60)。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的装配式桥梁钢筋套筒连接用高性能灌浆料，其特征在于，所述砂子包括20-120目级配的石英砂。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的装配式桥梁钢筋套筒连接用高性能灌浆料，其特征在于，所述消泡剂包括有机硅消泡剂和/或聚醚类消泡剂。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的装配式桥梁钢筋套筒连接用高性能灌浆料，其特征在于，所述减水剂包括聚羧酸系梳型聚合物；
优选地，所述聚羧酸系梳型聚合物的结构式如下式Ⅰ所示：
其中，R选自CH2CH2或CH2CH2CH2CH2，M选自H、Na、CH2CH2OH或CH2CH2CH2OH中的任意一种，a为20-100的整数，b为5-20整数，n为20-130的整数。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的装配式桥梁钢筋套筒连接用高性能灌浆料，其特征在于，所述膨胀剂包括塑性膨胀剂；
优选地，所述早强剂包括水化硅酸钙；
优选地，所述防冻剂包括亚硝酸钙和/或复合亚硝酸钠。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的装配式桥梁钢筋套筒连接用高性能灌浆料的使用方法，其特征在于，所述使用方法包括如下步骤：
将权利要求1-7中任一项所述的装配式桥梁钢筋套筒连接用高性能灌浆料与水混合，使用；
优选地，所述装配式桥梁钢筋套筒连接用高性能灌浆料与水混合之前预先经过搅拌步骤；
优选地，所述搅拌的时间为25-35s，所述搅拌的转速为135-145rpm。
9.根据权利要求8所述的装配式桥梁钢筋套筒连接用高性能灌浆料的使用方法，其特征在于，所述混合的方式为搅拌；
优选地，所述搅拌的时间为4-7min，所述搅拌的转速为275-295rpm。
10.根据权利要求1-7中任一项所述的装配式桥梁钢筋套筒连接用高性能灌浆料在装配式桥梁连接中的应用。
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